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第二节
哈勃定律(Hubbles law):宇宙在膨胀

哈勃定律

1929年,美国天文学家哈勃提出了他一生中最重要的一条关于宇宙的定律——哈勃定律。哈勃定律指出, 宇宙正在加速膨胀。

膨胀比较好理解,就是宇宙在越变越大。宇宙中的任意两个点,都在相互远离。而加速的意思是说,如果宇宙中两个点的距离越远,那么它们相互远离的速度就越快。可以用吹气球来形容这个过程。我们的宇宙就好像一个正在被吹大的气球表面,宇宙中的天体、星系就好像气球上的不同点。在气球被吹大的过程中,气球上任意两个点的距离是越来越远的。

哈勃是怎么发现宇宙正在膨胀的呢?这源于他用天文望远镜对宇宙中20多个星系进行的观测。哈勃发现,所有的星系都在远离我们,且离我们越远的星系,远离的速度越快,于是就得出了宇宙在膨胀的结论。哈勃还总结出了一个经验公式,就是著名的哈勃定律:

v是星系远离的速度,D是星系之间的距离,H是哈勃常数(Hubble constant),差不多是70km/(s·Mpc)。秒差距(pc)是一个距离单位,约等于3.26光年。也就是一个与我们相距大约是3.26光年的星系,远离我们的速度大概是每秒7厘米。

那么问题来了,宇宙为什么在膨胀,而且还是加速膨胀呢?

用我们吹气球的例子来类比。气球会膨胀是因为有人在吹它,也就是需要给气球一个初始推动力。现在科学家们普遍认为这个初始推动力是由宇宙大爆炸(the big bang)产生的。

大爆炸理论可以解释为什么宇宙在膨胀,但是不太能解释为什么会加速膨胀。我们吹气球的时候,会觉得气球越吹到后面越费劲。而宇宙这个大气球,越吹到后面还越有劲儿,好像连着一个鼓风机一样。

那么使宇宙加速膨胀的能量是哪里来的呢?

宇宙膨胀的能源:暗能量(dark energy)

目前的物理学理论还没有办法解释宇宙加速膨胀的问题。于是,科学家们提出了一个概念,叫作暗能量。

什么是暗能量呢?就是支撑宇宙加速膨胀的能量。之所以叫暗能量,就是因为它看不见、摸不着,连仪器也没有办法探测到,我们现代的实验对它几乎是一无所知。

暗能量只是科学家为了解释宇宙膨胀现象强行“发明”出来的概念。如果暗能量真的存在的话,根据计算,它占全宇宙能量与物质总量的68%左右。暗能量的概念可以解释一些宇宙学(cosmology)的问题,但是除了宇宙膨胀现象之外,我们几乎看不出其他效果。

回到基本问题

再回到宇宙是有限大还是无限大的问题。 目前的答案是:宇宙是有限大的,并且在不断地膨胀。 既然宇宙有限大,就会碰到牛顿最早提出的问题:宇宙中的天体为什么没有在万有引力的作用下挤成一团呢?

有了哈勃定律,这个问题就简单了。因为尽管万有引力有令万物聚合的趋势,但是宇宙的膨胀超越了万有引力的效果,甚至使天体间的距离越来越远。

再来看看宇宙是不是存在了无限久这个问题。奥伯斯关于宇宙存在了有限久的结论,是从牛顿宇宙无限大的观点推导出来的。现在牛顿的观点错了,这个问题就需要重新考虑。

现代物理学中,我们对宇宙的年龄有一个确定的答案:宇宙大约是在138亿年前诞生的。而这个结论是从哪里来的呢?

答案是通过哈勃望远镜观测得来的(哈勃望远镜是通过火箭升上太空,并在地球轨道中运行的一台反射式天文望远镜,跟天文学家哈勃并无直接关系,只是以哈勃的名字命名用以纪念哈勃对天文学做出的卓越贡献)。因为太空里没有大气层的干扰,哈勃望远镜可以收集到更多宇宙中的光和其他信息。

科学家得出宇宙的年龄大约是138亿岁的依据是, 哈勃望远镜能看到的最远的地方,差不多就是138亿光年远 ,再远就看不到了。这个解释其实跟奥伯斯的论证有异曲同工的地方。光用来走到地球的时间,最多就是138亿年左右。

图4-2 哈勃望远镜

比138亿光年还要远的星球的光,还没有足够的时间可以传到地球上。所以光可以用的时间,就是宇宙存在的时间。

至此,我们开篇提出的两个终极问题都得到了回答:宇宙是有限大的,并且还在加速变大;宇宙存在了有限久,年龄是138亿年左右。

宇宙既然是有限大的,那它的大小是多少呢?答案是直径940多亿光年,这是通过哈勃定律计算得出的结果。虽然我们只能看到138亿光年远,但这并不代表宇宙的半径就是138亿光年。

因为我们看到宇宙最远处发出的光,经过了138亿年的时间才到地球上。但是在这段时间里,当初发光的点还在不断远离我们,所以宇宙的半径肯定不止138亿光年。如果把宇宙看成一个球体的话,根据科学家们的计算,宇宙的直径大约是940多亿光年。

有了这两个答案,我们还要继续追问,宇宙是怎么来的?它刚刚诞生的时候是什么样子?这个问题直接导向了宇宙大爆炸理论。 0P2TmTbkcKKJ1O5F06DG8IXLUeZZczkPqVyDZPB30qiDZKPRfxmuOsv6ggTdUrY0

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